KR101120471B1 - 다중 초점 방식의 펄스 레이저를 이용한 취성 재료 절단 장치 - Google Patents

다중 초점 방식의 펄스 레이저를 이용한 취성 재료 절단 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 레이저 가공 장치 및 취성재료들(Brittle Materials)의 절단 방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 단일빔(Single-beam)을 경로를 달리하는 다중빔(Multi-beam)들로 분할하여, 각각의 다중빔을 취성 재료 등의 가공대상물의 깊이 방향으로 레이저 초점들의 위치를 다르게 하여 가공대상물의 절단을 효과적으로 하는 레이저 가공 장치 및 취성재료 절단 방법이다.

Description

다중 초점 방식의 펄스 레이저를 이용한 취성 재료 절단 장치 {Apparatus for cleaving brittle materials by using the pulse laser of multi-focusing method}
본 발명은 레이저 가공 장치 및 취성재료들(Brittle Materials)의 절단 방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 단일빔(Single-beam)을 경로를 달리하는 다중빔(Multi-beam)들로 분할하여, 각각의 다중빔을 취성 재료 등의 가공대상물의 깊이 방향으로 레이저 초점들의 위치를 다르게 하여 가공대상물의 절단을 효과적으로 하는 레이저 가공 장치 및 취성재료 절단 방법이다.
평판 디스플레이는 컴퓨터 모니터에서 항공기 및 우주선 등에 사용되는 디스플레이에 이르기까지 응용분야가 넓고 다양하다. 현재 생산 혹은 개발된 평판 디스플레이는 액정표시장지(LCD : Liquid Crystal Display), 전계 발광 디스플레이 (ELD : Electro Luminescent Display), 전계 방출 디스플레이(FED : Field Emission Display), 플라즈마 디스플레이(PDP : Plasma Display Panel) 등이 있다. 투명유리 기판은 이러한 평판 디스플레이에 없어서는 안 되는 중요 부품이며 유리 절단 공정에서 절단면이 거칠거나 크랙(Crack), 파티클(Particle)의 원인으로 불량이 발생한다. 본 발명은 유리와 같은 취성재료의 절단 공정에서 발생하는 문제를 해결하려는데 목적을 두고 있다.
평판 디스플레이에 사용되는 유리의 절단 분리에 사용되는 방법으로서는, 유리 기판을 고속으로 회전하는 다이아몬드 블레이드(Blade)에 의하여 절삭, 다이아몬드 스크라이빙(Scribing) 휠에 의하여 기판의 표면에 절단홈을 형성하여 기판의 두께 방향으로 크랙을 발생시키는 스크라이빙의 방법이 대표적이다. 그런데 다이싱(Dicing)에 있어서 블레이드가 절삭하고 있는 영역에서 마찰열이 발생하고, 절삭은 이 영역에 냉각수를 공급하면서 이루어지기 때문에 금속 전극층 및 금속단자 등의 금속 부분을 포함하고 있는 평판 디스플레이에 있어서는 결코 바람직한 방법이라고는 할 수 없다. 즉, 다이싱에 의한 경우에는 다이싱을 한 후에 냉각수의 제거에 완전을 기하는 것이 실제로는 어렵고, 냉각수의 제거가 불완전하여 잔류 수분이 있으면 평판 디스플레이의 금속 부분에 부식이 발생할 우려가 있다. 또한, 다이싱은 스크라이빙에 비하여 절단 시간이 길고 나아가서는 생산성이 좋지 않다는 문제도 있다. 또한 절단면이 깨끗하지 않으며 스크라이빙을 하는 과정에서 많은 파티클들을 발생시켜 제품의 불량을 유발시킨다.
이러한 문제점을 극복하기 위해서 레이저를 이용한 절단 방법이 대두되었다. 그러나 적외선 계인 CO2레이저를 사용한 가공기의 경우 가공된 측벽이 거칠고 가공부위에 클러스터가 만들어지는 단점을 가지고 있어, 마이크로 미터 단위 이하의 정밀도를 요구하는 미세가공에서는 그 사용이 제약을 받고 있다. 상기 가공은 광에너지를 열에너지로 변형하여 수행하는 레이저 열가공이라고 할 수 있으며 결과적으로 가공된 형상은 붕괴되기 쉬워 정밀 가공이 어렵고 가공물질에 열적 데미지를 주게 된다.
펄스 레이저를 유리 절단공정에 사용하면 주위에 미치는 열적인 손상이 적은 장점을 가지고 있어 나노초 단위의 펄스를 가지는 YAG 레이저 또는 엑시머 레이저 등이 유리 절단 공정에 사용될 수 있다. 특히, 피코초나 펨토초 레이저를 사용하면 더욱 열적 손상이 적어 미세 유리 스크라이빙이나 유리 절단 공정에 유리 하다. 하지만 피코초, 펨토초 펄스를 갖는 아주 짧은 펄스레이저는 높은 파워의 레이저를 사용할 수 없기 때문에 그 효율이 떨어진다. 왜냐하면 높은 파워의 에너지를 유리 절단 공정에 사용하면 열적 손상은 없으나 충격파가 유리에 크랙을 발생시키기 때문이다. 그렇다고 낮은 파워의 에너지를 사용하면 가공효율이 떨어지거나 유리 절단이 불가능해진다.
본 발명의 목적은 레이저를 이용하여 가공대상물을 절단하는데 있어서, 높은 에너지의 레이저를 사용하여도, 열과 충격파에 의한 손상을 줄이며, 가공대상물의 표면에 파티클이나 크랙을 적게 발생하도록 하는 레이저 정밀 가공장치를 제공하는 데에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 가공대상물의 표면에 크랙을 형성한 후 브레이크바(Break Bar)로 상기 크랙을 가압함으로써 가공대상물을 절단하지 않고, 레이저 조사만으로 가공대상물을 절단할 수 있는 레이저 가공 장치를 제공하는 데에 있다.
본 발명에 따른 레이저 가공 장치는, 레이저 빔을 발진하는 레이저 발진기, 적어도 어느 하나의 경로는 나머지 경로들 중 어느 하나와 경로 길이가 차이나는 상기 적어도 어느 하나의 경로와 상기 나머지 경로들로 구성된 복수의 경로, 상기 복수의 경로를 경유하도록 상기 레이저 빔을 복수의 레이저 빔으로 분할하고, 상기 복수의 분할 빔을 모아 특정 경로로 가이드하는 가이드부, 및 상기 복수의 가이드된 분할된 빔을 집속하여 가공대상물의 전면과 후면 사이의 다수의 영역에 조사하는 집속부를 포함한다.
본 발명에 따른 레이저 가공 장치는, 레이저 빔을 발진하는 빔 발진부, 상기 레이저 빔을 복수의 빔으로 분할하고, 상기 복수의 분할 빔이 특정 위치로 항하도록 하는 빔 분할부, 상기 복수의 분할 빔 중 적어도 하나의 분할 빔이 경유하는 적어도 하나의 경로 길이를 가변하는 빔 경로 가변부, 상기 복수의 분할 빔 중 적어도 하나의 분할 빔의 발산각을 변경하는 발산각 변경부, 상기 복수의 분할 빔 중 적어도 하나의 분할 빔의 에너지를 변경하는 빔 에너지 변경부, 상기 특정 위치에 배치되어 상기 복수의 분할 빔을 하나의 경로로 가이드하는 빔 가이드부, 상기 가이드된 복수의 분할 빔을 집속하여 가공대상물에 조사하며, 상기 복수의 분할 빔의 발산각에 따라 상기 가공대상물의 복수의 영역에 빔의 초점을 위치시키는 집속부, 및 상기 복수의 영역이 상기 가공대상물의 두께 방향의 가상 직선 상에 위치하도록 상기 빔 경로 가변부를 제어하는 제어부를 포함한다.
본 발명에 따른 레이저 가공 장치는, 레이저 빔 발진부, 상기 레이저 빔을 복수의 분할 빔으로 분할하는 빔 다중화부, 상기 복수의 분할 빔들을 하나의 경로로 가이드 하는 빔 가이드부, 및 상기 가이드된 복수의 분할 빔을 집속하여 가공대상물에 조사하는 집속부를 포함하고, 상기 빔 다중화부는 출사빔의 개수가 입사빔 개수의 두 배가 되도록 입사빔을 분할하는 빔 분할모듈을 상기 가공대상물의 두께, 재료 및 성질 중 적어도 어느 한 요소에 따라 소정 개수 포함하고, 상기 복수의 빔 분할모듈 중 제1 빔 분할모듈은, 상기 레이저 빔 또는 제2 빔 분할모듈의 출사빔들을 반사빔 그룹과 투과빔 그룹의 분할 빔들로 분할하는 빔 분할기, 상기 투과빔 그룹과 상기 반사빔 그룹의 진행 각도를 변경하여 상기 빔 가이드부 또는 제3 빔 분할모듈의 빔 분할기로 향하도록 하는 반사거울들, 상기 분할 빔들 중 적어도 어느 하나의 발산각을 변경하는 발산각 변경기, 및 상기 분할 빔들 중 적어도 어느 하나의 경로를 가변하는 시간 지연기를 포함하고, 상기 집속부는 상기 복수의 분할 빔의 발산각에 따라 분할 빔의 초점 길리를 달라지게 하여 상기 가공대상물의 복수의 영역에 상기 복수의 분할 빔 각각의 초점을 형성시키며, 상기 복수의 영역은 상기 가공대상물의 두께 방향의 가상 직선 상에 위치하며, 상기 복수의 분할 빔의 초점들은 분할 빔의 경로에 대응하여 시간차를 두고 상기 가공대상물의 복수의 영역에 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 레이저 가공 방법은, 레이저을 발진하는 단계, 상기 레이저를 적어도 두 개의 경로로 경유하도록 복수의 레이저 빔으로 분할하는 단계, 상기 복수의 분할 빔 중 적어도 하나의 분할 빔이 경유하는 경로 길이를 가변하는 단계, 상기 복수의 분할 빔 중 적어도 하나의 분할 빔의 발산각을 변경하는 단계, 상기 복수의 레이저 빔을 하나의 경로로 가이드하는 단계, 및 상기 가이드된 복수의 분할 빔을 집속하여 가공대상물에 조사하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따라, 가공대상물을 레이저를 이용하여 절단하면, 고출력 레이저 빔을 이용할 수 있으며, 고출력 레이저 빔을 다중화하므로 고출력 레이저 빔에 따른 열이나 충격파에 의한 가공대상물의 손상을 줄일 수 있으며, 가공대상물의 표면에는 약한 에너지의 레이저를 조사하여 절단하므로 표면에 파티클이나 크랙 등의 발생을 줄일 수 있어 고품질의 절단면을 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 다중경로를 경유하는 레이저 다중 빔에 의해, 가공대상물의 두께 방향으로 시간차를 두고 다중초점을 형성시킬 수 있다. 즉 초점이 생기는 시간을 조절할 수 있어, 레이저 조사에 따른 가공대상물의 변형 영역과 상관없이 두께 방향으로 연속하여 다중 초점들을 생기게 할 수 있다.
또한 가공대상물의 두께방향으로 연속하여 레이저를 조사함으로써, 절단 후 생성되는 테이퍼 각을 최소한으로 줄일 수 있으며, 별도의 공정(크랙 이후의 가압 공정 등) 없이 직접 가공대상물을 절단할 수 있다.
아울러 가공대상물의 절단면에 크랙이나 파티클 등이 거의 발생하지 않아, 절단 이후의 세정이나 연마 공정을 생략하거나 최소로 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 가공 장치의 블럭 구성도,
도 2는 도 1의 집속부와 가공대상물을 확대한 구조도,
도 3 내지 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 가공 장치의 구조도,
도 6은 빔 경로 가변기의 내부 구조도, 및
도 7은 도 5의 레이저 가공 장치의 가공 공정에 따른 가공대상물의 가공 과정을 도시한 사시도이다.
제 1, 제 2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
또한, 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 단순히 본 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되는 것으로서, 그 자체로 특별히 중요한 의미 또는 역할을 부여하는 것은 아니다. 따라서, 상기 "모듈" 및 "부"는 서로 혼용되어 사용될 수도 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 가공 장치의 블럭 구성도이다. 도 1을 참조하면, 본 레이저 가공 장치는 레이저 광원부(100), 빔 분할부(110), 빔 경로 가변부(120), 발산각 변경부(130), 빔 에너지 변경부(140), 빔 가이드부(150), 및 집속부(160)를 포함할 수 있다.
우선 레이저 가공 장치는 가공하고자 하는 가공대상물(10)을 이동 가능한 스테이지(미도시) 위에 배치한다. 이 경우 레이저 가공 장치의 최종 출력빔이 가공대상물(10)의 가공 영역에 조사되도록 가공대상물(10)을 스테이지 위에 배치한다.
레이저 광원부(100)은 레이저 빔(L0)을 발진한다. 레이저는 펄스형 레이저인 것이 바람직하다. 펄스 레이저를 이용하면 가공 부위의 주위에 미치는 열손상을 줄일 수 있다.
빔 분할부(110)는 레이저 빔(L0)을 복수의 빔(L1, L2, ..., L6)으로 분할한다. 빔 분할부(110)는 하나 이상의 프리즘이나 판형(Plate Type) 빔 스플리터(Beam Splitter)로 구성될 수 있다. 원하는 개수의 출력 빔을 조절하여 분할 빔들을 생성할 수 있으므로, 레이저 가공 속도를 향상시킬 수 있다.
빔 경로 가변부(120)는 빔 분할부(110)에 의해 분할된 빔들(L1 ~ L6)이 경유하는 경로의 길이를 서로 다르게 한다. 빔 경로 가변부(120)는 제어부(미도시)의 제어에 의해 경로의 길이를 사용자가 원하는 길이로 조절할 수 있다. 경로 길이는 빔이 경유하는 경로 상에 복수의 반사 거울을 배치하여 우회시키거나, 광섬유에 집속하여 경로를 늘리는 방법 등이 있다. 또한 빔 경로 가변부(120)는 우회 경로를 변경하는 방법 등으로 경로 길이를 조절할 수 있다. 빔 경로 가변부(120)는 분할 빔의 경로 길이를 조절할 수 있다. 분할 빔의 위상 조절이나 지연 시간 조절 등을 위해 각 분할 빔의 경로 길이는 빔 경로 가변부(120)에 의해 원하는 길이로 조절될 수 있다.
빔 경로 가변부(120)에 의해 경로를 달리하는 분할 빔들은 가공대상물에 도달하는 시간이 서로 달라지게 된다. 레이저의 에너지가 시간차를 두고 가공대상물에 흡수된다. 이러한 시간차로 가공대상물에 충격파를 덜 가하게 되며, 가공대상물에 충분한 에너지를 전달할 수 있어 가공효율을 향상시킨다. 이에 높은 에너지를 가지는 레이저를 이용할 수 있어, 절단면의 품질을 높이고 가공효율도 높일 수 있다. 한편 분할 빔들의 경로 길이 모두를 각각 다르게 할 필요는 없다.
발산각 변경부(130)는 분할 빔들(L1 ~ L6)의 발산 정도(이하, '발산각')을 변경한다. 발산각 변경부(130)는 빔 익스팬더(Beam Expander), 볼록 렌즈 또는 오목 렌즈 등을 이용하여 빔을 수렴시키거나 발산시킬 수 있다. 빔 가이드부(150)는 분할 빔들(L1 ~ L6)을 하나의 경로로 가이드 한다. 빔 가이드부(150)는 빔 결합기 또는 광 방향성 결합기 등이 이용될 수 있다. 집속부(160)는 빔 가이드부(150)에 의해 동일 경로로 가이드된 분할 빔들을 집속하여 가공대상물(10)에 조사한다. 집속부(160)는 분할 빔들의 발산각에 따라 가공대상물의 복수의 영역에 분할 빔들의 초점들을 위치시킨다. 집속부(160)에 의해, 레이저 빔으로부터 분할되어 가이드된 빔들의 초점들은 가공대상물의 복수의 영역에 배치된다. 초점들은 동일 직선 상에 위치하며, 초점들을 잇는 가상 직선은 가공대상물의 두께 방향의 직선에 위치된다.
도 2는 도 1의 집속부(160)와 가공대상물(10)을 확대한 도면이다. 도 2는 빔 경로 가변부(120), 발산각 변경부(130), 빔 가이드부(150), 및 집속부(160)에 의해 초점이 여러 위치에 형성되는 것을 도시한다.
도 2(a)를 참조하면, 분할 빔들(L1 내지 L6)은 발산각 변경부(130)에 의해 집속부(160)에 입사하는 발산각이 서로 다르게 된다. 이에 따라 각각의 분할 빔들은 가공대상물에 위치하는 초점이 달라진다. 도 2(b)를 참조하면, 초점 위치들(f1 내지 f6)은 가공대상물의 두께 방향으로 가상의 직선 상(A)에 놓인다. 도 2에서, 발산각이 서로 다른 분할 빔들(L1 내지 L6)의 초점들(f1 내지 f6)은 가공대상물의 후면(f6), 후면에 가까운 곳(f5), 중앙(f3, f4), 전면에 가까운 곳(f2) 및 전면(f1)에 위치한다. 가공대상물이 유리 등의 투명한 물질 또는 레이저 투과율이 높은 물질로 구성된 경우, 분할 빔이 가공대상물에 빨리 도달할수록 빔의 초점이 가공대상물의 후면에 위치하는 것이 바람직하며 늦게 도달할수록 빔의 초점이 가공대상물의 전면에 위치하는 것이 바람직하다. 집속부(160)와 빔의 초점이 형성될 위치 사이에 변형된 영역이 있으면, 반사 및 산란 등의 영향으로 초점이 형성되지 않기 때문이다.
도 2(b)는 복수의 시간차를 가지는 가이드된 분할 빔들에 의해 가공대상물(10)이 연속하여 가공되는 것을 보여준다. 분할 빔들의 개수를 늘리고 지연 도달하는 분할 빔들의 발산각을 조절하면 가상의 직선(A)을 따라 연속적인 조사가 가능하다. 가공대상물의 단면 영역이 연속하여 가공되면 물리적인 가압 공정 없이 자연 절단될 수 있다. 또한 가공대상물의 두께나 레이저 광원(100)의 에너지 등의 영향으로 자연 절단 되지 않아 가압 공정이 필요하더라도, 연속 가공에 의해 절단면이 매끄럽게 되며, 절단 후 크랙이나 파편등이 발생하지 않게 된다.
도 1의 빔 에너지 변경부(140)는 분할 빔들의 에너지를 변경한다. 빔의 에너지를 증강시킬 수도 있지만 비용이 증가되므로, 빔 에너지를 감쇄하는 것이 바람직하다. 빔 에너지가 가공대상물의 표면에 집중되면, 파편 및 크랙들이 많이 발생한다. 이에 빔 에너지 변경부(140)는 가공대상물의 표면 쪽에 초점이 위치하는 분할 빔들의 에너지를 더 감쇄시킨다.
가공대상물의 중앙 부분에 에너지를 더 집중시키기 위해, 빔 경로 가변부(120)는 중앙에 도달하는 분할 빔이 더 많이 생성되도록 빔 경로를 조절할 수도 있다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 가공대상물의 중앙에 위치하는 초점(f3, f4)의 개수를 많게 하여 가공대상물의 중앙에 에너지 밀도를 높게 할 수 있다.
본 실시예에 따른 레이저 가공 장치는 가공대상물(10)의 후면에 제일 먼저 초점(f6)이 생성되도록 하고, 그 다음 후면에서 중앙 쪽으로 초점(f5)이 형성되도록 하고, 그 다음 중앙에 다수의 초점(f3, f4)이 형성되도록 하고, 그 다음 전면 방향으로 초점(f2)이 형성되도록 하고, 제일 마지막으로 전면에 초점(f1)이 형성되도록 하여, 투명 재료의 가공대상물을 효율적으로 가공할 수 있다. 빔 경로 가변기(120)에 의해, 각 분할 빔이 가공대상물에 도달하는 시간 차이를 펄스 폭 시간 보다 크게 하여, 가공대상물의 일영역이 가공된 후에 다음 영역이 가동되게 할 수 있다.
본 실시예에서 빔 경로 가변부(120), 발산각 변경부(130), 및 빔 에너지 변경부(140) 들은 레이저 빔이 빔 분할부(110)로부터 빔 가이드부(150)까지의 복수의 빔 경로들의 중간 중간에 배치될 수 있다.
도 3 내지 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 가공 장치의 구조도이고, 도 6은 빔 경로 가변기의 내부 구조도이다. 동일한 도번은 동일한 구성요소를 의미한다.
도 3 내지 5를 참조하면, 본 실시예에 따른 레이저 가공 장치는 레이저 빔을 발진하는 레이저 광원(300), 레이저 빔을 복수의 분할 빔으로 분할하는 빔 다중화부(점선으로 둘러 쌓인 부분), 빔의 편광방향을 변경하는 편광방향 변경기(350), 복수의 분할 빔들을 하나의 경로로 가이드 하는 빔 결합기(360), 가이드된 분할 빔들을 집속하여 가공대상물(20)에 조사하는 집속 렌즈(370), 절단 위치를 확인하고 가공대상물920)의 형상을 확인할 수 있는 카메라(480)를 포함할 수 있다.
빔 다중화부는 출사빔의 개수가 입사빔 개수의 두 배가 되도록 입사빔을 분할하는 빔 분할모듈(210, 220, 230)을 다수 포함할 수 있다.
본 실시예에 따른 레이저 가공 장치는 가공대상물의 두께, 재료, 및 성질에 따라 소정 개수의 분할 빔들로 분할하여 가공대상물에 상기 분할 빔들을 조사한다. 가공대상물의 두께가 두꺼울수록 또는 변형이 쉽게 되지 않을 수롤 분할 빔들의 개수를 크게 하는 것이 바람직하다. 분할 빔들의 개수에 따라 레이저 광원의 출력을 다르게 조정할 수 있다. 이에 빔 분할모듈의 개수를 조절하여 분할 빔들의 개수를 조절할 수 있다.
도 3에 따른 레이저 가공 장치는 레이저 빔을 두 개의 분할 빔들로 분할하여 가공대상물을 절단한다. 이에 빔 다중화부는 하나의 빔 분할모듈(210)을 구비한다. 빔 분할모듈(210)은 레이저 빔을 투과빔과 반사빔으로 분할하는 빔 분할기(311), 빔 경로를 변경하는 반사거울들(411, 421), 빔 경로 길이를 가변하는 시간 지연기(321), 빔의 발산각을 변경하는 발산각 변경기(331)을 포함한다.
레이저 광원(300)에서 발진된 레이저 빔은 제1 빔 분할기(311)를 통해 반사빔 L1r과 투과빔 L1t으로 분할된다. 분할 비율은 제1 빔 분할기(311)의 성능에 따라 달라지는데, 1:1로 분할하는 것이 바람직하다. 제1 및 제2 반사거울(411, 421)은 빔 결합기(360)로 제1 분할 빔 그룹(L1r, L1t)을 각각 반사한다. 제1 및 제2 반사 거울(411, 421)은 레이저 빔을 일정 각도로 반사하도록 코팅되어 있다. 제1 또는 제2 반사 거울(411, 421)은 레이저 빔의 일부를 투과시킬 수 있다. 투과된 일부 레이저 빔은 레이저의 에너지를 측정할 수 있는 포토 다이오드(미도시)를 통과하도록 구성될 수 있다. 측정된 에너지에 기초하여 레이저 광원(300)의 출력 등을 조절할 수 있다.
분할 빔들 중 반사빔 L1r은 제1 빔 경로 가변기(321)을 거쳐 지연된다. 도 6을 참조하면, 제1 빔 경로 가변기(321)는 제1 반사경(451), 가변유닛(460), 및 제2 반사경(453)을 포함할 수 있다. 반사빔 L1r은 제1 반사경(451)에 의해 가변유닛(460)으로 경로를 우회하게 된다. 가변유닛(460)은 입사된 반사빔 L1r을 입사 방향과 반대 방향으로 출사하기 위한 제3 및 제4 반사경(461, 463)을 포함할 수 있다. 가변유닛(460)은 경로 길이를 조절하기 위해 입사 방향과 평행한 방향으로 이동할 수 있다. 가변유닛(460)에서 출사된 빔은 제2 반사경(453)을 통해 원래 경로로 가게 된다. 빔 경로 가변기는 투과빔 L1t의 경로 중에도 배치될 수 있다.
지연된 반사빔 L1r은 제1 발산각 변경기(331)를 통과하며 발산각이 변경된다. 가공대상물에 늦게 도달하는 빔의 초점 거리가 짧아야 하므로, 지연된 반사빔 L1r의 발산각은 좁아지는 것이 바람직하다. 발산각 변경기는 투과빔 L1t의 경로 중에 배치될 수도 있다. 이 경우 투과빔 L1t의 발산각을 크게 하는 것이 바람직하다.
제1 분할 빔 그룹의 일부(L1t)는 편광방향 변경기(350)에 의해 편광방향이 변한다. 편광방향 변경기(350)은 파장판(Wave Plate)로 구성될 수 있다. 빔 결합기(360)에서 빔을 효과적으로 중첩시키기 위해서이다.
제1 분할 빔 그룹은 빔 결합기(360)에 의해 일정 경로로 가이드된다. 빔 결합기(360)는 제1 및 제2 방향의 편광 빔 중 어느 한 방향의 빔은 모두 반사시키며 나머지 방향의 편광 빔은 모두 투과시킬 수 있다. 빔 결합기는 편광 빔 분할기(polarize beam splitter)일 수 있다. 이 경우 레이저 광원(300)은 편광된 빔을 발진하는 것이 바람직하다. 레이저 광원(300)이 제1 방향의 편광 빔을 발진하는 경우, 빔 결합기(360)는 제1 방향의 편광 빔(L1r)은 모두 반사시키며, 편광방향 변경기(350)에 의한 제2 방향의 편광 빔(L1t)은 모두 투과시킨다. 빔 결합기(360)의 선택적 투과 및 반사에 의해 제1 분할 빔 그룹의 모든 분할 빔들은 집속 렌즈(370)로 향하게 되어, 에너지 효율을 극대화할 수 있다.
집속 렌즈(370)는 제1 분할 빔 그룹의 분할 빔들을 가공 대상물에 집속하여 조사한다. 경로차 및 발산각에 따라 분할 빔들의 초점들은 가공 대상물의 여러 영역에 위치하게 된다.
도 4에 따른 레이저 가공 장치는 레이저 빔을 네 개의 분할 빔들로 분할하여 가공대상물을 절단한다. 이에 빔 다중화부는 두 개의 빔 분할모듈(210, 220)을 구비한다. 제1 및 제2 빔 분할모듈(210, 220)은 각각 입사빔을 투과빔과 반사빔으로 분할하는 제1 및 제2 빔 분할기(311, 313), 빔 경로를 변경하는 제1 내지 제4 반사거울들(411, 421, 413, 423), 빔 경로 길이를 가변하는 제1 및 제2 시간 지연기(321, 323), 및 빔의 발산각을 변경하는 제1 및 제2 발산각 변경기(331, 333)을 포함한다.
레이저 광원(300)에서 발진된 레이저 빔은 제1 빔 분할모듈(210)에 의해 반사빔(L1r)과 투과빔(L1t)으로 분할된다. 반사빔(L1r)은 제1 빔 분할모듈(210)의 제1 시간 지연기(321) 및 제1 발산각 변경기(331)에 의해 지연되고 발산각이 변경된다.
제1 빔 분할모듈(210)의 제1 출사빔들(L1r, L1t)는 제1 빔 분할모듈(210)의 제1 및 제2 반사거울(411)에 의해 제2 분할모듈(220)으로 입사된다.
제2 분할모듈(220)로 입사된 제1 분할 빔 그룹(L1r, L1t)은 제2 빔 분할기(313)에 의해 일부는 투과하고 일부는 반사하여 제2 분할 빔 그룹(L1r2r, L1r2t, L1t2t, L1t2r)으로 분할된다. 제2 분할 빔 그룹의 경로는 제3 및 제4 반사 거울(413, 423)에 의해 빔 결합기(360)로 변경된다. 제2 분할 빔 그룹의 제1 서브 그룹(L1r2r, L1t2t)은 제2 빔 경로 가변기(323) 및 제2 발산각 변경기(333)를 통과하여 지연되고 발산각이 변경된다.
레이저 광원(300)이 제1 방향의 편광 빔을 발진하는 경우, 제2 분할 빔 그룹의 제2 서브 그룹(L1r2t, L1t2r)은 편광방향 변경기(350)에 의해 편광방향이 제2 방향으로 변경된다.
빔 결합기(360)는 제1 방향의 편광 빔(L1r2r, L1t2t)은 모두 반사시키며, 제2 방향의 편광 빔(L1r2t, L1t2r)은 모두 투과시켜 집속 렌즈(370)로 가이드한다.
집속 렌즈(370)는 제2 분할 빔 그룹의 분할 빔들을 가공 대상물에 집속하여 조사한다. 경로차 및 발산각에 따라 분할 빔들의 초점들은 가공 대상물의 여러 영역에 위치하게 된다.
도 5에 따른 레이저 가공 장치는 레이저 빔을 여덟 개의 분할 빔들로 분할하여 가공대상물을 절단한다. 이에 빔 다중화부는 세 개의 빔 분할모듈(210, 220, 230)을 구비한다. 제1 내지 제3 빔 분할모듈(210, 220)은 각각 입사빔을 투과빔과 반사빔으로 분할하는 제1 내지 제3 빔 분할기(311, 313, 315), 빔 경로를 변경하는 제1 내지 제6 반사거울들(411, 421, 413, 423, 415, 425), 빔 경로 길이를 가변하는 제1 내지 제3 시간 지연기(321, 323, 325), 및 빔의 발산각을 변경하는 제1 내지 제3 발산각 변경기(331, 333, 335)를 포함한다.
레이저 광원(300)에서 발진된 레이저 빔은 제1 빔 분할모듈(210)에 의해 반사빔(L1r)과 투과빔(L1t)으로 분할된다. 반사빔(L1r)은 제1 빔 분할모듈(210)의 제1 시간 지연기(321) 및 제1 발산각 변경기(331)에 의해 지연되고 발산각이 변경된다. 필요에 따라 투과빔(l1t)도 지연되고 발산각이 변경될 수 있다. 제1 빔 분할모듈(210)의 제1 출사빔들(L1r, L1t)는 제1 빔 분할모듈(210)의 제1 및 제2 반사거울(411)에 의해 제2 분할모듈(220)으로 입사된다.
제2 분할모듈(220)로 입사된 제1 분할 빔 그룹(L1r, L1t)은 제2 빔 분할기(313)에 의해 일부는 투과하고 일부는 반사하여 제2 분할 빔 그룹(L1r2r, L1r2t, L1t2t, L1t2r)으로 분할된다. 제2 분할 빔 그룹의 경로는 제3 및 제4 반사 거울(413, 423)에 의해 제3 분할모듈(230)로 변경된다. 제2 분할 빔 그룹의 제1 서브 그룹(L1r2r, L1t2t)은 제2 빔 경로 가변기(323) 및 제2 발산각 변경기(333)를 통과하여 지연되고 발산각이 변경된다. 필요에 따라 제2 분할 빔 그룹의 제2 서부 그룹(L1r2t, L1r2t)도 지연되고 발산각이 변경될 수 있다.
제3 분할모듈(230)로 입사된 제2 분할 빔 그룹(L1r2r, L1r2t, L1t2t, L1t2r)은 제3 빔 분할기(315)에 의해 일부는 투과하고 일부는 반사하여 제3 분할 빔 그룹(L1r2r3r, L1r2r3t, L1r2t3r, L1r2t3t, L1t2t3t, L1t2t3r, L1t2r3t, L1t2r3r)으로 분할된다. 제3 분할 빔 그룹의 경로는 제5 및 제6 반사 거울(415, 425)에 의해 빔 결합기(360)로 변경된다. 제3 분할 빔 그룹의 제1 서브 그룹(L1r2r3r, L1r2t3t, L1t2t3r, L1t2r3t)은 제3 빔 경로 가변기(325) 및 제3 발산각 변경기(335)를 통과하여 지연되고 발산각이 변경된다. 필요에 따라 제3 분할 빔 그룹의 제2 서브 그룹(L1r2r3t, L1r2t3r, L1t2t3t, L1t2r3r)의 분할 빔들도 지연되고 발산각이 변경될 수 있다.
레이저 광원(300)이 제1 방향의 편광 빔을 발진하는 경우, 제3 분할 빔 그룹의 제2 서브 그룹(L1r2r3t, L1r2t3r, L1t2t3t, L1t2r3r)은 편광방향 변경기(350)에 의해 편광방향이 제2 방향으로 변경된다.
빔 결합기(360)는 제1 방향의 편광 빔(L1r2r3r, L1r2t3t, L1t2t3r, L1t2r3t)은 모두 반사시키며, 제2 방향의 편광 빔(L1r2r3t, L1r2t3r, L1t2t3t, L1t2r3r)은 모두 투과시켜 집속 렌즈(370)로 가이드한다.
집속 렌즈(370)는 제2 분할 빔 그룹의 분할 빔들을 가공 대상물에 집속하여 조사한다. 경로차 및 발산각에 따라 분할 빔들의 초점들은 가공 대상물의 여러 영역에 위치하게 된다.
도 7은 도 5의 레이저 가공 장치의 가공 공정에 따른 가공대상물의 가공 과정을 도시한다. 도 7의 (a), (b) 및 (c)는 시간 순으로 도시된 것이다. 도 7을 참조하면, 먼저 도달한 분할빔의 초점은 가공대상물(20)의 후면에 위치하게 된다. 이를 위해 짧은 경로를 경유하는 분할빔의 발산각은 커야 바람직하다. 가공대상물(20)의 중앙에 다수의 초점을 위치하도록 하여, 가공대상물의 표면보다 중앙 쪽에 에너지가 집중되도록 하는 것이 바람직하다. 가공대상물의 단면에 위치하는 초점은 그 배치를 보여주기 위해 과장되게 도시되었을 뿐, 다수의 초점들은 실질적으로 직선에 가깝에 배치된다.
본 실시예에서, 가공대상물은 유리 등의 투명물질이거나 레이저 빔을 투과할 수 있는 물질로 이루어져, 가공대상물의 후면에서 전면(출력빔이 조사되는 가공대상물의 일면) 방향으로 시간차를 두고 초점 위치를 달리하는 것을 기술하였다. 그러나 피코초나 펨토초 단위의 극초단 펄스 레이저를 이용하는 경우, 가공대상물의 전면에서 후면 방향으로 시간차를 두고 초점 위치를 달라지게 할 수 있다. 이러한 극초단 펄스 레이저는 에너지의 발진 밀도가 매우 높다. 극초단 펄스 레이저를 이용하는 경우, 조사된 물질을 구성하고 있는 원자가 이온화되어 증발할 수 있기 때문이다. 또한 극초단 펄스 레이저를 이용하는 경우, 레이저 흡수율이 낮은 물질로 구성된 가공대상물도 가공할 수 있다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안 될 것이다.
100: 레이저 광원부 110: 빔 분할부
120: 빔 경로 가변부 130: 발산각 변경부
140: 빔 에너지 변경부 150: 빔 가이드부
160: 집속부 300: 광원
311, 313, 315: 빔 분할기 260: 빔 결합기
411, 413, 415, 421, 423, 425: 반사거울

Claims (17)

  1. 레이저 빔을 발진하는 레이저 발진기;
    적어도 어느 하나의 경로는 나머지 경로들 중 어느 하나와 경로 길이가 차이나는 상기 적어도 어느 하나의 경로와 상기 나머지 경로들로 구성된 복수의 경로;
    상기 복수의 경로를 경유하도록 상기 레이저 빔을 복수의 레이저 빔으로 분할하고, 상기 복수의 분할 빔을 모아 특정 경로로 가이드하는 가이드부; 및
    상기 복수의 가이드된 분할된 빔을 집속하여 가공대상물의 전면과 후면 사이의 다수의 영역에 조사하는 집속부를 포함하고,
    상기 가이드부는 상기 복수의 경로 중 적어도 어느 하나의 길이를 가변하는 시간 조정 모듈; 및
    상기 복수의 분할 빔 중 적어도 어느 하나의 분할 빔의 발산 정도를 변경하는 발산각 변경 모듈을 구비하고,
    상기 복수의 분할 빔 중 제1 분할 빔의 발산각은 상기 제1 분할 빔 보다 경로 길이가 긴 제2 분할 빔의 발산각 보다 크고,
    상기 집속부에 의해 집속된 복수의 분할 빔은 상기 가공대상물의 조사면에 먼 영역에서 상기 조사면에 가까운 영역으로 시간차를 두고 조사되는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 집속부는 입사되는 레이저 빔의 발산 정도에 따라 출사되는 레이저 빔의 초점 길이를 변경하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 가이드부는 상기 복수의 분할 빔 중 적어도 어느 하나의 분할 빔의 에너지를 가변하는 광 감쇄 모듈을 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 복수의 분할 빔 중 어느 하나의 빔은 상기 어느 하나의 빔이 경유하는 경로 길이와 기설정된 길이의 차이에 비례하여 감쇄되고,
    상기 기설정된 길이는 상기 가공대상물의 상기 전면과 상기 후면의 중간에 조사되는 분할빔의 경로 길이인 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저 빔 발진기는 일정 폭을 갖는 펄스형 레이저 빔을 발진하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저 빔 발진기는 편광된 레이저 빔을 발진하고,
    상기 가이드부는
    상기 복수의 분할 빔 중 일부의 편광 방향을 변경하는 파장판(wave plate) 모듈; 및
    두 개의 편광 방향성을 가지는 상기 복수의 분할 빔의 편광 방향에 의존하여 상기 복수의 분할 빔 중 일부는 투과시키고 나머지 일부는 반사시켜 상기 특정 경로로 가이드하는 빔 결합 모듈을 구비하는 레이저 가공 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 가공대상물은 상기 레이저 빔이 투과할 수 있는 물질인 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 경로의 개수는 상기 가공대상물의 두께, 재료 및 성질 중 적어도 어느 하나의 요소에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
  12. 레이저 빔을 발진하는 빔 발진부;
    상기 레이저 빔을 복수의 빔으로 분할하고, 상기 복수의 분할 빔이 특정 위치로 항하도록 하는 빔 분할부;
    상기 복수의 분할 빔 중 적어도 하나의 분할 빔이 경유하는 적어도 하나의 경로 길이를 가변하는 빔 경로 가변부;
    상기 복수의 분할 빔 중 적어도 하나의 분할 빔의 발산각을 변경하는 발산각 변경부;
    상기 복수의 분할 빔 중 적어도 하나의 분할 빔의 에너지를 변경하는 빔 에너지 변경부;
    상기 특정 위치에 배치되어 상기 복수의 분할 빔을 하나의 경로로 가이드하는 빔 가이드부;
    상기 가이드된 복수의 분할 빔을 집속하여 가공대상물에 조사하며, 상기 복수의 분할 빔의 발산각에 따라 상기 가공대상물의 복수의 영역에 빔의 초점을 위치시키는 집속부; 및
    상기 복수의 영역이 상기 가공대상물의 두께 방향의 가상 직선 상에 위치하도록 상기 빔 경로 가변부를 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 복수의 분할 빔 중 어느 하나의 분할 빔의 발산각은 상기 어느 하나의 분할 빔이 경유하는 경로 길이에 대응하여 변경되고,
    상기 가공대상물의 복수의 영역에 위치하는 빔의 초점은 상기 가공대상물의 조사면에 먼 영역부터 상기 조사면에 가까운 영역으로 시간차를 두고 형성되는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
  13. 삭제
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 복수의 분할 빔 중 제1 분할 빔의 에너지는 제2 분할 빔의 에너지 보다 더 작고,
    상기 제2 분할 빔이 조사되는 영역은 상기 제1 분할 빔이 조사되는 영역 보다 상기 복수의 영역 중 중앙에 위치한 영역에 더 가까운 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 레이저 빔 발진부는 편광된 레이저 빔을 발진하고,
    상기 복수의 분할 빔 중 일부의 편광 방향을 변경하는 편광 방향 변경부를 더 포함하고,
    상기 빔 가이드 부는 두 개의 편광 방향성을 가지는 상기 복수의 분할 빔의 편광 방향에 의존하여 상기 복수의 분할 빔 중 일부는 투과시키고 나머지 일부는 반사시켜 상기 하나의 경로로 가이드하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
  16. 레이저 빔을 발진하는 레이저 빔 발진부;
    상기 레이저 빔을 복수의 분할 빔으로 분할하는 빔 다중화부;
    상기 복수의 분할 빔들을 하나의 경로로 가이드 하는 빔 가이드부; 및
    상기 가이드된 복수의 분할 빔을 집속하여 가공대상물에 조사하는 집속부를 포함하고,
    상기 빔 다중화부는 출사빔의 개수가 입사빔 개수의 두 배가 되도록 입사빔을 분할하는 빔 분할모듈을 상기 가공대상물의 두께, 재료 및 성질 중 적어도 어느 한 요소에 따라 소정 개수 포함하고,
    상기 복수의 빔 분할모듈 중 제1 빔 분할모듈은,
    상기 레이저 빔 또는 제2 빔 분할모듈의 출사빔들을 반사빔 그룹과 투과빔 그룹의 분할 빔들로 분할하는 빔 분할기;
    상기 투과빔 그룹과 상기 반사빔 그룹의 진행 각도를 변경하여 상기 빔 가이드부 또는 제3 빔 분할모듈의 빔 분할기로 향하도록 하는 반사거울들;
    상기 분할 빔들 중 적어도 어느 하나의 발산각을 변경하는 발산각 변경기; 및
    상기 분할 빔들 중 적어도 어느 하나의 경로를 가변하는 시간 지연기를 포함하고,
    상기 집속부는 상기 복수의 분할 빔의 발산각에 따라 분할 빔의 초점 길리를 달라지게 하여 상기 가공대상물의 복수의 영역에 상기 복수의 분할 빔 각각의 초점을 형성시키며,
    상기 복수의 영역은 상기 가공대상물의 두께 방향의 가상 직선 상에 위치하며,
    상기 복수의 분할 빔의 초점들은 분할 빔의 경로에 대응하여 시간차를 두고 상기 가공대상물의 복수의 영역에 형성되며, 상기 가공대상물의 조사면에서 먼 곳에서 형성되는 초점이 상기 조사면에서 가까운 곳에 형성되는 초점 보다 먼저 형성되는 것을 특징으로 하는, 레이저 가공 장치.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 레이저 빔 발진부는 편광된 레이저 빔을 발진하고,
    상기 복수의 빔 분할모듈 중 상기 빔 가이드부로 출사빔들을 향하도록 하는 제4 빔 분할모듈은 상기 출사빔들 중 일부의 편광 방향을 변경하는 편광 방향 변경기를 더 포함하고,
    상기 빔 가이드 부는 두 개의 편광 방향성을 가지는 상기 제4 빔 분할 모듈의 출사빔들의 편광 방향에 의존하여 상기 제4 분할 모듈의 출사빔들 중 일부는 투과시키고 나머지 일부는 반사시켜 상기 하나의 경로로 가이드하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
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